The Biological Effects of Weak Electromagnetic Fields

sunglowcitrineUrban and Civil

Nov 15, 2013 (3 years and 6 months ago)

88 views

goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
1
The Biological Effects of Weak
Electromagnetic Fields
Andrew Goldsworthy, 2007 
What the power and telecoms companies would prefer us not to know
Foreword
There have been many instances of harmful effects of electromagnetic fields from such 
seemingly innocuous devices as mobile phones, computers, power lines and domestic 
wiring.  They  include  an  increased  risk  of  cancer,  loss  of  fertility  and  unpleasant 
physiological  symptoms.  The  power  and  mobile  phone  companies,  hoping  to  avoid 
litigation,  often  assert  that  because  the  energy  of  the  fields  is  too  low  to  give 
significant heating, they cannot have any biological effect. However, the evidence that 
electromagnetic  fields  can  have  “non‐thermal”  biological  effects  is  now 
overwhelming.  In  this  article,  I  will  explain  how  these  effects  arise.  I  have  included 
key references that should enable the more inquisitive reader to delve deeper. If you 
do, you will often find contradictory assertions and that the reproducibility of several 
experiments  is  only  mediocre.  As  we  will  see,  this  is  almost  certainly  because  of 
differences in the genetic and physiological condition of the biological material and its 
ability  to  defend  itself  against  electromagnetic  insults.  Defence  mechanisms  have 
evolved  by  natural  selection  over  countless  millions  of  years  of  exposure  to  natural 
electromagnetic  radiation,  such  as  that  from  thunderstorms.  They  can  often  hide  the 
underlying  effects  of  man‐made  fields  so  we  do  not  always  see  them  in  our 
experiments.  We  therefore  have  to  concentrate  on  the  experiments  that  give  positive 
results  if  we  are  to  discover  the  mechanisms.  In  this  context,  negative  findings 
(frequently published  in  work  financed  by the  telecoms  and  power  companies) have 
no meaning.  
Abstract
1. Well‐replicated  studies  have  shown  that  weak  electromagnetic  fields  remove 
calcium  ions  bound  to  the  membranes  of  living  cells,  making  them  more  likely  to 
tear, develop temporary pores and leak.  
2. DNAase  (an  enzyme  that  destroys  DNA)  leaking  through  the  membranes  of 
lysosomes (small bodies in living cells packed with digestive enzymes) explains the 
fragmentation  of  DNA  seen  in  cells  exposed  to  mobile  phone  signals.  When  this 
occurs  in  the  germ  line  (the  cells  that  give  rise  to  eggs  and  sperm),  it  reduces 
fertility and predicts genetic damage in future generations.  
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
2
3. Leakage  of  calcium  ions  into  the  cytosol  (the  main  part  of  the  cell)  acts  as  a 
metabolic  stimulant,  which  accounts  for  reported  accelerations  of  growth  and 
healing, but it also promotes the growth of tumours.  
4. Leakage  of  calcium  ions  into  neurones  (brain  cells)  generates  spurious  action 
potentials  (nerve  impulses)  accounting  for  pain  and  other  neurological  symptoms 
in electro‐sensitive individuals. It also degrades the signal to noise ratio of the brain 
making it less likely to respond adequately to weak stimuli. This may be partially 
responsible the increased accident rate of drivers using mobile phones.  
5. A  more  detailed  examination  of  the  molecular  mechanisms  explains  many  of  the 
seemingly  weird  characteristics  of  electromagnetic  exposure,  e.g.  why  weak  fields 
are  more  effective  than  strong  ones,  why  some  frequencies  such  as  16Hz  are 
especially potent and why pulsed fields do more damage.  
Introduction
The  strange  non‐thermal  biological  effects  of  electromagnetic  fields  have  puzzled 
scientists  for  decades  and,  until  now,  there  has  been  no  clear  explanation.  In  this 
article,  I  will  outline  a  new  theory,  based  on  experimental  evidence  gathered  over 
many years, that explains how virtually all of these effects arise.  
Firstly,  it  is  not  only  humans  that  are  affected.  Well‐researched  responses  in  other 
organisms include the more rapid growth of higher plants (Smith et al. 1993; Muraji et 
al.  1998;  Stenz  et  al.  1998),  yeast  (Mehedintu  and  Berg  1997)  and  changes  in  the 
locomotion of diatoms (McLeod et al. 1987). The last two are significant because they 
are both single cells, implying that the effects occur at the cellular level. Furthermore, 
we  can  explain  virtually  all  of  the  electromagnetic  effects  on  humans  in  terms  of 
changes occurring at the cellular level that may then affect the whole body.  
A few basic facts
Field  strength:  An  electromagnetic  field  consist  of  an  electrical,  part  and  a  magnetic 
part.  The  electrical  part  is  produced  by  a  voltage  gradient  and  is  measured  in 
volts/metre. The magnetic part is generated by any flow of current and is measured in 
tesla.  For  example,  standing  under  a  power  line  would  expose  you  to  an  electrical 
voltage  gradient  due  to  the  difference  between  the  voltage  of  the  line  (set  by  the 
power  company)  and  earth.  You  would  also  be  exposed  to  a  magnetic  field 
proportional  to  the  current  actually  flowing  through  the  line,  which  depends  on 
consumer demand. Both types of field give biological effects, but the magnetic field is 
more damaging since it penetrates living tissue more easily. Magnetic fields as low as 
around  one  microtesla  (a  millionth  of  a  tesla)  can  produce  biological  effects.  For 
comparison, using a mobile (cell) phone or a PDA exposes you to magnetic pulses that 
peak  at  several  tens  of  microtesla  (Jokela  et  al.  2004;  Sage  et  al.  2007),  which  is  well 
over  the  minimum  needed  to  give  harmful  effects.  Because  mobile  phones  are  held 
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
3
close  to  the  body  and  are  used  frequently,  these  devices  are  potentially  the  most 
dangerous sources of electromagnetic radiation that the average person possesses.  
Frequency: The fields must vary with time, e.g. those from alternating currents, if they 
are  to  have  biological  effects.  Extremely  low  frequencies  (ELF)  such  as  those  from 
power‐lines and domestic appliances are more potent than higher frequencies. There 
is  usually  little  or  no  biological  response  to  the  much  higher  frequencies  of  radio 
waves,  unless  they  are  pulsed  or amplitude modulated at  a  biologically  active  lower 
frequency  (i.e.  when  the  radio  signal  strength  rises  and  falls  in  time  with  the  lower 
frequency).  Regular  GSM  mobile  phones  and  PDAs  emit  both  pulsed  radio  waves 
(from the antenna) and ELF (from the battery circuits), and are especially dangerous. 
So how do these non‐thermal effects electromagnetic fields arise?  
Weak electromagnetic fields release calcium from cell
membranes
The first clue came from Suzanne Bawin, Leonard Kaczmarek and Ross Adey (Bawin 
et  al.  1975),  at  the  University  of  California.  They  found  that  exposing  brain  tissue  to 
weak  VHF  radio  signals  modulated  at  16Hz  (16  cycles  per  second)  released  calcium 
ions  (electrically  charged  calcium  atoms)  bound  to  the  surfaces  of  its  cells.  Carl 
Blackman  at  the  U.S.  Environmental  Protection  Agency  in  North  Carolina  followed 
this  up  with  a  whole  series  of  experiments  testing  different  field‐strengths  and 
frequencies  (Blackman  et  al.  1982)  and  came  to  the  surprising  conclusion  that  weak 
fields  were  often  more  effective  than  strong  ones.  The  mechanism  was  unknown  at 
the time and it was thought to be a trivial scientific curiosity, but as we will see, it has 
huge significance for us all.  
The loss of calcium makes cell membranes leak
Calcium  ions  bound  to  the  surfaces  of  cell  membranes  are  important  in  maintaining 
their  stability.  They  help  hold  together  the  phospholipid  molecules  that  are  an 
essential part of their make‐up (see Ha 2001 for a theoretical treatment). Without these 
ions, cell membranes are weakened and are more likely to tear under the stresses and 
strains imposed by the moving cell contents (these membranes are only two molecules 
thick!).  Although  the  resulting  holes  are  normally  self‐healing  they  still  increase 
leakage  while  they  are  open  and  this  can  explain  the  bulk  of  the  known  biological 
effects of weak electromagnetic fields.  
Membrane leakage damages DNA
Leaks  in  the  membranes  surrounding  lysosomes  (tiny  particles  in  living  cells  that 
recycle  waste)  can  release  digestive  enzymes,  including  DNAase  (an  enzyme  that 
destroys DNA). This explains the serious damage done to the DNA in cells by mobile 
phone  signals.  Panagopoulos  et  al.  (2007)  showed  that  exposing  adult  Drosophila 
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
4
melanogaster (an insect widely used in genetic experiments) to a mobile phone signal 
for just six minutes a day for six days broke into fragments the DNA in the cells that 
give  rise  to  their  eggs  and  half  of  the  eggs  died.  Diem  et  al.  (2005)  also  found 
significant  DNA  fragmentation  after  exposing  cultured  rat  and  human  cells  for  16 
hours  to  a  simulated  mobile  phone  signal.  See  also  the  ‘Reflex  Project’  in  an  on‐line 
brochure  entitled  Health  and  Electromagnetic  Fields  published  by  the  European 
Commission.  You  can  find  it  at  http://tinyurl.com/yxy4ld.  It  shows  that  exposing 
human cells for 24 hours to simulated mobile phone signals gave DNA fragmentation 
similar  to  that  due  to  the  gamma  rays  from  a  radioactive  isotope!  (Gamma  rays  also 
make lysosome membranes leak.)  
DNA damage may cause cancer
There  have  been  many  studies  suggesting  that  exposure  to  weak  electromagnetic 
fields  is  associated  with  a  small  but  significant  increase  in  the  risk  of  getting  cancer 
(Wilson  et  al.  1990).  This  could  be  caused  by  gene  mutations  resulting  from  DNA 
damage.  A  gene  is  a  section  of  DNA  containing  the  information  needed  to  make  a 
particular protein or enzyme. There is also a section that can turn the gene on or off in 
response to outside signals. The growth of an organism from a fertilised egg involves 
a  hugely  complex  pattern  of  switching  genes  on  and  off  that  regulates  growth,  cell 
division  and  differentiation  into  specific  tissues.  DNA  damage  can  sometimes  give 
unregulated  growth  to  form  tumours.  However,  the  effect  may  not  be  immediate. 
Cancer  following  exposure  to  chemical  carcinogens  such  as  asbestos  may  take  many 
years to become rampant. The affected cells seem to go through several stages of ever‐
increasing  genetic  and  molecular  anarchy  before  they  finally  reach  the  point  of 
unstoppable  growth  and  division.  When  assessing  any  carcinogenic  effects  of 
electromagnetic exposure, we must bear in mind that there may be a similar delay. It 
may be some years before we know the full carcinogenic effects of the recent explosive 
growth in the use of mobile phones.  
DNA damage reduces fertility
The biological effects of electromagnetically induced DNA fragmentation may not be 
immediately  obvious  in  the  affected  cells,  since  fragments  of  broken  DNA  can  be 
rejoined  and  damaged  chromosomes  (elongated  protein  structures  that  carry  the 
DNA) can be reconstituted. However, there is no guarantee that they will be rejoined 
exactly  as  they  were.  Pieces  may  be  left  out  (deletions)  joined  in  backwards 
(inversions)  swapped  between  different  parts  of  the  chromosome  (translocations)  or 
even  attached  to  the  wrong  chromosome.  In  most  cases,  the  new  arrangement  will 
work for a while if most of the genes are still present and any metabolic deficiencies 
can  often  be  made  good  by  the  surrounding  cells.  However,  things  go  badly  wrong 
when  it  comes  to  meiosis,  which  is  the  process  that  halves  the  number  of 
chromosomes during the formation of eggs and sperm.  
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
5
During  meiosis,  the  chromosomes  line  up  in  pairs  (one  from  each  original  parent) 
along  their  entire  length  so  that  corresponding  parts  are  adjacent  and  can  be 
exchanged  (this  gives  each  of  the  daughter  cells  a  unique  combination  of  genes). 
However,  if  the  arrangement  of  their  genes  has  been  altered  by  electromagnetic 
exposure, they cannot align properly and the chromosomes may even tie themselves 
in knots in the attempt. Such malformed pairs are usually torn apart unequally in the 
later stages of meiosis so that the eggs or sperm have an incomplete or unbalanced set 
of  genes,  may  not  function  properly  and  so  reduce  fertility.  There  is  evidence  from 
several  independent  studies  in  Australia,  Hungary  and  the  United  States  that  this  is 
already occurring. Heavy mobile phone use appears to reduce both the quantity and 
viability of sperm. The results for the most recent study by Dr Ashok Agarwal and co‐
workers  at  the  Cleveland  Lerner  College  of  Medicine  can  be  seen  at 
http://tinyurl.com/28rm6n. They found that using a mobile phone for more than four 
hours a day was associated with a reduction in sperm viability and mobility of around 
25  percent. The  statistical  probability of  these  results  being  due to  chance  errors  was 
one in a thousand. There is every reason to believe that human eggs may be similarly 
affected, but since they are formed in the embryo before the baby is born, the damage 
will  be  done  during  pregnancy  but  will  not  become  apparent  until  the  child  reaches 
puberty.  
There may also be permanent genetic damage
Believe it or not, the electromagnetically induced loss of fertility is the good news since 
it means that badly damaged embryos are less likely to be conceived. The bad news is 
that  any  damaged  genes  needed  for  embryo  development  but  not  for  normal  egg  or 
sperm function will not be weeded out in this way. They can still find their way into 
the foetus and cause permanent genetic damage. The effect may not be apparent in the 
first generation since a non‐functioning gene from one parent can often be offset if the 
other  parent  provides  a  good  version  of  the  same  gene.  In  fact,  serious  trouble  may 
not  arise  for  many  generations  until  by  chance  two  faulty  versions  of  the  same  gene 
end up in the same foetus. What happens then depends on the gene concerned, but it 
is unlikely to be beneficial and may be lethal.  
The  overall  conclusion  is  that  the  genetic  damage  from  exposure  to  electromagnetic 
radiation can have an almost immediate effect on fertility, but damage to the offspring 
may  take  several  generations  to  show  up.  If  we  do  nothing  to  limit  our  exposure  to 
electromagnetic radiation, we can anticipate a slow decline in the viability of the human 
genome for many generations to come. It is ironic that having only just discovered the 
human genome, we have already set about systematically destroying it.  
Effects on metabolism
Another  major  effect  of  electromagnetic  radiation  is  the  leakage  of  free  calcium  ions, 
either  through  the  cells’  external  membranes  or  those  surrounding  internal  ‘calcium 
stores’.  This  can  have  dramatic  effects  on  many  aspects  of  metabolism  and  explains 
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
6
most of the mysterious but well‐documented physiological effects of electromagnetic 
fields.  These  include  stimulations  of  growth,  an  increased  risk  of  cancer,  symptoms 
suffered  by  electrosensitive  humans  and  why  using  a  mobile  phone  while  driving 
makes you four times more likely to have an accident.  
How calcium controls metabolism
Apart  from  its  role  in  maintaining  membrane  stability,  the  calcium  concentration 
actually  inside  cells  controls  the  rate  of  many  metabolic  processes,  including  the 
activity  of  many  enzyme  systems  and  the  expression  of  genes.  The  concentration  of 
calcium  ions  in  the  cytosol  (the  main  part  of  the  cell)  is  normally  kept  about  a 
thousand  times  lower  than  that  outside  by  metabolically‐driven  ion  pumps  in  its 
membranes. Many metabolic processes are then regulated by letting small amounts of 
calcium  into  the  cytosol  when  needed.  This  is  normally  under  very  close  metabolic 
control  so  that  everything  works  at  the  right  time  and  speed.  However,  when 
electromagnetic  exposure  increases  membrane  leakiness,  unregulated  amounts  of 
extra calcium can flood in. Just what happens then depends on how much gets in and 
what the cells are currently programmed to do. If they are growing, the rate of growth 
may be increased. If they are repairing themselves after injury, the rate of healing may 
be  increased  but  if  there  is  a  mutant  precancerous  cell  present,  it  may  promote  its 
growth into a tumour.  
Calcium leakage and brain function
Normal  brain  function  in  humans  depends  on  the  orderly  transmission  of  signals 
through a mass of about 100 billion neurones. Neurones are typically highly branched 
nerve  cells.  They  usually  have  one  long  branch  (the  axon),  which  carries  electrical 
signals  as  action  potentials  (nerve  impulses)  to  or  from  other  parts  of  the  body  or 
between  relatively  distant  parts  of  the  brain  (a  nerve  contains  many  axons  bundled 
together).  The  shorter  branches  communicate  with  other  neurones  where  their  ends 
are adjacent at synapses. They transmit information across the synapses using a range 
of neurotransmitters, which are chemicals secreted by one neurone and detected by the 
other.  The  exact  patterns  of  transmission  through  this  network  of  neurones  are 
horrendously complex and determine our thoughts and virtually everything we do.  
Calcium plays an essential role in this because a small amount of calcium must enter 
the neurone every time before it can release its neurotransmitters. Without it, the brain 
would  be  effectively  dead.  But  what  would  happen  if  electromagnetically  induced 
membrane  leakage  let  in  too  much  calcium?  One  effect  would  be  to  increase  the 
background  level  of  calcium  in  the  neurones  so  that  they  release  their  neuro‐
transmitters  sooner.  This  improves  our  reaction  time  to  simple  stimuli  (which  has 
been experimentally proven). However, it can also trigger the spontaneous release of 
neurotransmitters to transmit spurious signals have no right to be there. This feeds the 
brain  false  information.  Similar  spurious  action  potentials  may  also  be  triggered  in 
other  parts  of  the  neurone  if  leaks  in  the  membrane  temporarily  short‐circuit  the 
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
7
normal  voltage  between  its  inside  and  outside.  These  unprogrammed  action 
potentials  will  degrade  the  signal  to  noise  ratio  of  the  brain  and  reduce  its  ability  to 
make accurate judgements.  
It  is  technically  difficult  to  detect  these  stray  action  potentials  experimentally  since 
they  look  like  random  noise  in  the  measuring  system  and  would  in  any  case  be 
swamped  by  the  relatively  strong  electromagnetic  signals  used  to  induce  them. 
However, similar spurious action potentials should be detectable if we removed some 
of structural calcium from the membrane by some other means. One way to do this is 
to lower the concentration of calcium ions in the surrounding medium. For example, 
Matthews  (1986)  reported  that  exposing  nerve  and  muscle  cells  to  calcium 
concentration  about  10–20  percent  below  normal  made  them  significantly  more 
excitable, which fits with our hypothesis.  
These  findings  also  explain  many  of  the  symptoms  of  hypocalcemia  (alias 
hypocalcaemia).  Hypocalcemia  is  a  medical  condition,  usually  caused  by  a  hormone 
imbalance,  in  which  the  concentration  of  ionised  calcium  in  the  blood  is  abnormally 
low.  By  removing  bound  calcium  from  cell  membranes,  it  should  (and  does)  give 
similar effects to electromagnetism.  
Electrosensitivity and hypocalcemia – a possible cure
Symptoms  of  hypocalcemia  include  skin  disorders,  paresthesias  (pins  and  needles, 
numbness,  sensations  of  burning  etc.)  fatigue,  muscle  cramps,  cardiac  arrhythmia, 
gastro‐intestinal problems and many others. A more comprehensive list can be found 
at http://tinyurl.com/2dwwps, which corresponds to the website: 
www.endotext.org/parathyroid/parathyroid7/parathyroid7.htm. 
The symptoms of hypocalcemia are remarkably similar to those of electrosensitivity. If 
you think you may be electrosensitive, how many of these do you have? If you have 
any  of  them,  it  may  be  worth  having  your  blood  checked  for  ionised  calcium.  It  is 
possible  that  at  least  some  forms  of  electrosensitivity  could  be  due  to  the  victims 
having their natural blood calcium levels bordering on hypocalcemia. Electromagnetic 
exposure  would  then  remove  even  more  calcium  from  their  cell  membranes  to  push 
them  over  the  edge  and  give  them  symptoms  of  hypocalcemia.  If  this  is  correct, 
conventional  treatment  for  hypocalcaemia  may  relieve  some  if  not  all  of  these 
symptoms.  
Electromagnetic exposure and motor accidents
Only  a  small  proportion  of  the  population  is  electrosensitive  in  that  they  show 
obvious  symptoms from  electromagnetic  exposure.  However,  everyone may  affected 
without  being  aware  of  it,  e.g.  when  using  a  mobile  phone.  According  to  the  Royal 
Society  for  the  Prevention  of  Accidents,  you  are  four  times  more  likely  to  have  an 
accident if you use a mobile phone while driving. This is not due to holding the phone 
since using a hands‐free type makes no difference. It is also not due to the distraction 
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
8
of holding a conversation, since talking to a passenger does not have the same effect. 
This  leads  us  to  the  conclusion  that  the  electromagnetic  radiation  from  the  phone  is 
the most likely culprit.  
This  fits  with  the  notion  that  spurious  action  potentials  triggered  by  electromagnetic 
radiation creates a sort of ‘mental fog’ of false information that makes it harder for the 
brain to recognise weak but real stimuli. For example, a driver using a mobile phone 
may still see the road ahead using the strong images from the central part of the eye 
but may be less aware of weaker but still important images coming from the side. He 
may  also  be  less  able  to  conduct  relatively  complex  tasks  such  as  judging  speed  and 
distance  in  relation  to  other  moving  vehicles.  This  needs  a  lot  of  ‘computing  power’ 
and  will  therefore  be  more  susceptible  to  random  interference.  Although  an 
experienced driver may do much of his driving automatically, his brain still has to do 
just  as  much  work  as  if  he  were  still  learning;  it  is  just  that  he  is  unaware  of  it. 
Therefore, an old hand at driving is just as likely to be forced into making a mistake 
when  using  a  mobile  while  driving  as  a  novice,  so  don’t  imagine  you  can  get  away 
with it just because you have been driving for years. Another important point is that, 
if this theory is correct, and the electromagnetic signal is mainly to blame, not only is 
it inadvisable to use a mobile yourself while driving, but your passengers should not 
use them either since their radiation may still affect your own driving.  
The theory behind it all
We  have  seen  that  weak  electromagnetic  fields  can  remove  calcium  from  cell 
membranes and make them leak. If we theorise about the mechanism, we can explain 
many  of  the  seemingly  weird  characteristics  of  bioelectromagnetic  responses.  These 
include why weak fields can be more effective than strong ones, why low frequencies 
are  more  potent,  why  pulses  do  more  damage  than  sine  waves  and  what  is  special 
about 16Hz. The following hypothesis was proposed by Goldsworthy (2006).  
The role of eddy currents
Before  they  can  give  biological  effects,  the  electromagnetic  fields  must  generate 
electrical ‘eddy currents’ flowing in and around the cells or tissues. Both the electrical 
and magnetic components of the fields can induce them and they tend to follow low 
impedance pathways. These  can  be  quite  extensive;  for example in the  human body, 
the  blood  system  forms  an  excellent  low  resistance  pathway  for  DC  and  low 
frequency  AC.  It  is  an  all‐pervading  system  of  tubes  filled  with  a  highly  conductive 
salty fluid. Even ordinary tissues carry signals well at high frequencies since they cross 
membranes  easily  via  their  capacitance.  In  effect,  the  whole  body  can  act  as  an 
efficient  antenna  to  pick  up  electromagnetic  radiation.  If  you  need  convincing,  try  a 
simple experiment. Tune in a portable radio to a weak station and see by how much 
you can improve reception by simply grasping the antenna. There is little doubt that 
signals  transmitted  by  a  mobile  phone,  even  if  it  is  a  hands‐free  type,  will  reach  all 
parts of the body, including the sex organs.  
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
9
How calcium is released
The  membrane:  Most  biological  membranes  are  negatively  charged,  which  makes 
them attract and adsorb positive ions. However, these ions are not stuck permanently 
to  the  membrane  but  are  in  dynamic  equilibrium  with  the  free  ions  in  the 
environment.  The  relative  amounts  of  each  kind  of  ion  attached  at  any  one  time 
depends mainly on its availability in the surroundings, the number of positive charges 
it carries and its chemical affinity for the membrane. Calcium normally predominates 
since  it  has  a  double  positive  charge  that  binds  it  firmly  to  the  negative  membrane. 
Potassium  is  also  important  since,  despite  having  only  one  charge,  its  sheer 
abundance  ensures  it  a  good  representation  (potassium  is  by  far  the  most  abundant 
positive ion in virtually all living cells and outnumbers calcium by about ten thousand 
to one in the cytosol).  
The  signal:  When  an  alternating  electrical  field  from  an  eddy  current  hits  a 
membrane,  it  will  tug  the  bound  positive  ions  away  during  the  negative  half‐cycle 
and  drive  them  back  in  the  positive  half‐cycle.  If  the  field  is  weak,  strongly  charged 
ions  (such  as  calcium  with  its  double  charge)  will  be  preferentially  dislodged. 
Potassium  (which  has only  one  charge)  will  be  less  attracted  by  the field  and mostly 
stay  in  position.  Also,  the  less  affected  free  potassium  will  tend  to  replace  the  lost 
calcium. In this way, weak fields increase the proportion of potassium ions bound to 
the membrane, and release the surplus calcium into the surroundings.  
Why there are amplitude windows
The  main  effect,  electromagnetic  treatment  is  to  change  the  normal  chemical 
equilibrium between bound calcium and potassium in favour of potassium. Even very 
weak  fields  should  have  at  least  some  effect.  This  effect  should  increase  with 
increasing  field‐strength,  but  only  up  to  a  point.  If  the  field  were  strong  enough  to 
dislodge large quantities of potassium too, there will be less discrimination in favour 
of  calcium.  This  gives  an  amplitude  window  for  the  selective  release  of  calcium,  above 
and below which there is little or no observable effect.  
The  field  strength  corresponding  to  the  amplitude  window  may  vary  with  the  ease 
with which eddy currents are induced and the nature and physiological condition of 
the tissue. There may also be more than one in any given tissue. Blackman et al. (1982) 
discovered at least two for brain slices, perhaps because the brain contains two main 
types of cell; the neurones and the glial cells, each of which have different membrane 
compositions.  
Why low frequencies and pulses work better
The hypothesis also explains why only frequencies from the low end of the spectrum 
give biological effects and why pulses and square waves are more effective than sine 
waves. Only if the frequency is low will the calcium ions have time to be pulled clear 
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
10
of the membrane and replaced by potassium ions before the field reverses and drives 
them back. Pulses and square waves work best because they give very rapid changes 
in  voltage  that  catapult  the  calcium  ions  well  away  from  the  membrane  and  then 
allow  more  time  for  potassium  to  fill  the  vacated  sites.  Sine  waves  are  smoother, 
spend less time at maximum voltage, and so allow less time for ion exchange.  
Frequency windows
The  hypothesis  also  explains  the  curiosity  that  some  frequencies  are  especially 
effective, with 16Hz being the most obvious. This is because 16Hz is the ion cyclotron 
resonance  frequency  for  potassium  in  the  Earth’s  magnetic  field  (see  Box).  When 
exposed to an electromagnetic field at this frequency, potassium ions resonate, absorb 
the  field’s  energy  and  convert  it  to  energy  of  motion.  This  increases  their  ability  to 
replace  calcium  on  cell  membranes.  Although  the  extra  energy  gained  by  each 
potassium  ion  may  be  small,  the  fact  that  there  are  about  ten  thousand  of  them 
competing with just one calcium ion for each place on the membrane means that even 
a slight increase in their energies due to resonance will have a significant effect.  
Ion Cyclotron Resonance
Abraham Liboff, in the mid 1980s, developed the idea that the frequency windows for
the biological effects of electromagnetic fields were in some way due to ion cyclotron
resonance, but he didn’t link it to membrane stability (Liboff et al.1990). Ion cyclotron
resonance occurs when ions move in a steady magnetic field such as that of the Earth.
The field deflects them sideways and they go into orbit around its lines of force at a
characteristic ‘resonant’ frequency, which depends on the charge/mass ratio of the ion
and the strength of the steady field. Exposing them to an oscillating electric or a
magnetic field at their resonant frequency lets them absorb its energy and they
gradually increase the size of their orbits and their energy of motion. The resonant
frequency for potassium in the Earth’s magnetic field is close to 16Hz. According to my
hypothesis, electromagnetic fields at this frequency specifically increase the ability of
potassium ions to bombard cell membranes and replace bound calcium. This increases
the biological hazards of electromagnetic exposure near 16Hz and has already caused
concern about the safety of the TETRA mobile telecommunications system, which
transmits pulses at 17.6Hz.
Amplitude modulated and pulsed radio waves also work
Amplitude  modulated  and  pulsed  radio  waves  consist  of  a  high  frequency  ‘carrier’ 
wave whose strength rises and falls in time with a lower frequency signal. This is the 
basis of AM radio transmissions, where the low frequency signal comes from an audio 
source.  The  receiver  demodulates  the  signal  to  regenerate  the  audio.  Unmodulated 
carrier  waves  usually  have  little  or  no  biological  effect,  but  if  modulated  at  a 
biologically‐active  low  frequency  (such  as  16Hz)  they  give  marked  effects  (Bawin  et 
al.  1975).  This  has  posed  problems  for  scientists  trying  to  work  out  how  living  cells 
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
11
could demodulate radio signals to regenerate the low frequency and elicit a biological 
response.  
However, we can now explain it easily. Imagine a child bouncing a ball continuously 
against  the  ground.  The  harder  he  hits  it,  the  higher  it  bounces  and  the  greater  its 
average height. The layer of free positive ions that congregate near but are not bound 
to  the  negatively  charged  surface  of  a  cell  membrane  will  behave  in  the  same  way. 
They  bounce  against  the  membrane  in  time  with  the  radio  wave,  and  the  average 
distance  of  the  electrical  centre  of  the  layer  from  the  membrane  rises  and  falls  with 
any  amplitude  modulation.  For  example,  modulating  the  signal  at  16Hz  makes  the 
centre  of  the  layer  rise  and  fall  at  16Hz.  It  does  not  have  to  move  very  far  at  this 
frequency, since  any  free  potassium  ions  in the  vicinity will  resonate,  gradually  gain 
energy from the oscillations and become more able to bombard and displace calcium 
ions bound to the membrane. Non‐resonant frequencies need a stronger signal but can 
give a similar effect. 
Continuous waves can also work
This  is  probably  because  living  cells  can  introduce  their  own  time  variation  in  field 
strength. The membrane systems in active living cells are constantly on the move, e.g. 
from  the  Brownian  motion  of  membrane‐bound  particles  (a  purely  physical  process 
due  to  molecular  bombardment)  and  physiological  processes  such  as  their  active 
transport. This exposes any given section of their membranes to a full frontal attack by 
the field in one orientation followed by a much quieter period if it rotates through 90 
degrees and receives the signal edge‐on. This means that it experiences what looks (to 
it) like a time‐varying field and may therefore give a physiological response even to a 
constant  radio  signal.  However,  because  these  are  random  changes  and  are  not 
sharply pulsed, we might expect them to need stronger fields and/or longer exposure 
times  if  they  are  to  give  effects.  This  may  explain  the  unpleasant  symptoms 
experienced by many electrosensitive individuals when using UMTS (3G) handsets or 
living close to high power TETRA base stations. Although neither signal is pulsed, the 
sheer  proximity  of  the  UMTS  handset  to  the  user  and  the  raw  power  of  a  nearby 
TETRA  base  station  may  give  the  necessary  signal  strength.  In  addition,  the  lack  of 
any  quiet  gaps  in  the  signal  increases  the  net  exposure  time,  which  may  more  than 
compensate for the lack of pulses. 
How calcium loss makes holes in membranes
Cell  membranes  are  made  of  sheets  of  fatty  materials  called  phospholipids 
surrounding islands of protein. The proteins have a variety of metabolic functions, but 
the  main  role  of  the  phospholipids  is  to  fill  the  spaces  between  them  and  act  as  a 
barrier to prevent leakage. Calcium loss weakens the phospholipid sheet and makes it 
more likely to leak; but how does it do this?  
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
12
The  membrane  phospholipids  are  long  molecules.  One  end  consists  of  hydrophobic 
(water hating) hydrocarbon chains. The other end has a negatively charged phosphate 
group  and  is  hydrophilic  (water  loving).  In  a  watery  medium,  they  arrange 
themselves  spontaneously  to  form  double‐layered  membranes  with  a  central  core 
made from their water hating ends. Their water loving phosphate ends face outwards 
towards  the  water.  The  affinity  that  the  central  hydrophobic  parts  have  for  one 
another  helps  hold  the  membrane  together  but  the  negatively  charged  phosphate 
groups  on  the  outside  repel  each  other  and  try  to  tear  it  apart.  Normally,  the 
membrane  is  stabilised  by  positive  ions  that  fit  in  between  the  negative  phosphate 
groups, so that they do not repel each other. They act as a kind of cement that helps to 
hold the membrane together.  
However, not all positive ions stabilise the membrane equally well. Calcium ions are 
particularly good because of their double positive charge, but monovalent potassium, 
with  just  one  charge,  is  only  mediocre.  Therefore,  when  electromagnetic  fields  swap 
membrane‐bound  calcium  for  potassium,  it  weakens  the  membrane  (These 
membranes are only a hundred thousandth of a millimetre thick) and it becomes more 
prone to accidental tearing and the formation of transient pores. This happens to some 
degree all the time, even in stationary artificial membranes (Melikov et al. 2001), but 
the membranes of living cells are often stressed by the cells’ moving contents, so the 
effects  should  be  much  greater.  Fortunately,  these  pores  are  usually  self‐healing  and 
the  damage  to  the  membrane  is  not  permanent.  However,  during  electromagnetic 
exposure  there  will  be  more  tears,  slower  repair  and  consequently  more  overall 
leakage.  The  metabolic  effects  of  even  a  brief  period  of  leakage  may  be  much  longer 
lasting  (e.g.  if  dormant  genes  are  activated)  and  perhaps  (as  in  the  case  of  DNA 
damage) permanent.  
Defence mechanisms
Calcium pumps: Cells have to be able to pump out any extra calcium that has entered 
their  cytosols  to  reset  the  low  cytosolic  calcium  level  every  time  it  is  disturbed  by  a 
programmed  calcium  influx.  They  should  therefore  be  able  to  respond  to 
unprogrammed  calcium  influx  due  to  electromagnetic  exposure.  This  should 
minimise any unwanted metabolic effects, but the scope to do this is limited. If it were 
too effective, it would also prevent legitimate cell signalling.  
Gap  junction  closure:  If  calcium  extrusion  fails  and  there  is  a  large  rise  in  internal 
calcium,  it  triggers  the  isolation  of  the  cell  concerned  by  the  closure  of  its  gap 
junctions  (tiny  strands  of  cytoplasm  that  normally  connect  adjacent  cells)  (Alberts  et 
al. 2002). This also limits the flow of eddy currents through the tissue and so reduces 
the effects of radiation.  
Heat shock proteins: These were first discovered after exposing cells to heat, but they 
are  also  produced  in  response  to  a  wide  variety  of  other  stresses,  including  weak 
electromagnetic fields. They are normally produced within minutes of the onset of the 
stress  and  combine  with  the  cell’s  enzymes  to  protect  them  from  damage  and  shut 
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
13
down  non‐essential  metabolism  (the  equivalent  of  running  a  computer  in  ‘safe 
mode’). When the production of heat shock proteins is triggered electromagnetically it 
needs 100 million million times less energy than when triggered by heat, so the effect 
is  truly  non  thermal  (Blank  &  Goodman  2000).  Their  production  in  response  to 
electromagnetic  fields  is  activated  by  special  base  sequences  (the  nCTCTn  motif)  in 
the  DNA  of  their  genes.  When  exposed  to  electromagnetic  fields,  they  initiate  the 
gene’s  transcription  to  form  RNA,  which  is  the  first  stage  in  the  synthesis  of  the 
protein (Lin et al. 2001).  
As  we  can  see,  there  are  several  defence  mechanisms  against  damage  by 
electromagnetic fields and there may be more we do not know about. They probably 
evolved  in  response  to  natural  electromagnetic  fields  such  as  those  generated  by 
thunderstorms  but  are  now  having  their  work  cut  out  to  respond  to  the  continuous 
and  all‐pervading  fields  associated  with  modern  living.  How  well  they  perform  will 
depend  on  many  factors,  including  environmental  conditions,  the  physiological 
condition of the cells and how much energy they have to spare. Consequently, they do 
not  always  succeed.  When  the  defences  fail,  we  may  get  visible  symptoms  from  the 
radiation, but when they succeed, there may be little obvious effect.  
The  power  and  mobile  phone  companies  have  seized  upon  this  characteristic 
variability  to  discredit  work  on  the  non‐thermal  effects  of  electromagnetic  fields  as 
being due to the experimental error. Nothing could be further from the truth. Many of 
these  experiments  are  highly  reproducible,  especially  the  fundamental  and  all‐
important  ones  on  the  effects  of  the  radiation  on  the  release  of  calcium  from  cell 
membranes.  Secondary  effects  further  down  the  line  may  be  less  reproducible  since 
they  are  more  likely  to  be  mitigated  by  the  intervention  of  cellular  defence 
mechanisms.  Therefore,  we  cannot  expect  rigidly  reproducible  results  in  all 
circumstances any more than we can expect everyone to experience exactly the same 
side effects from taking a medicinal drug. However, that does not mean that they can 
be safely ignored!  
Conclusion
In the latter part of this article, I have explained how weak electromagnetic fields can 
interact  with  cell  membranes  to  weaken  them  and  make  them  more  permeable.  As 
with all theories, it will be subject to modification and refinement as time goes by, but 
some facts are already inescapable. There is undeniable experimental proof that weak 
electromagnetic fields can remove bound calcium ions from cell membranes. There is 
also  no  doubt  that  bound  calcium  ions  are  essential  for  the  stability  of  these 
membranes.  Consequently,  their  loss  will  increase  temporary  pore  formation  under 
the  mechanical  stresses  from  pressure  differences  within  the  cell  and  abrasion  by  its 
moving  contents.  This  very  simple  conclusion  can  account  for  virtually  all  of  the 
known  biological  effects  of  electromagnetic  fields,  including  changes  in  metabolism, 
the promotion of cancer, genetic damage, loss of fertility, deleterious effects on brain 
function  and  the  unpleasant  symptoms  experienced  by  electrosensitive  individuals. 
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
14
However, it seems possible that at least some cases electrosensitivity could be due to 
low levels of ionised calcium in the blood exacerbating the electromagnetic effects. If 
so,  it  may  be  possible  to  relieve  some  or  all  of  the  symptoms  by  conventional 
treatment for hypocalcemia.  
Footnote
Andrew Goldsworthy is an Honorary Lecturer at Imperial College London.  
References
Adey  WR  (1990)  ‘Electromagnetic  fields,  cell  membrane  amplification,  and  cancer 
promotion’.  In:  Wilson  BW,  Stevens  RG,  Anderson  LE  (eds)  Extremely  Low 
Frequency  Electromagnetic  Fields:  the  Question  of  Cancer.  Battelle  Press,  Columbus, 
Ohio, pp 211‐249  
Alberts et al. (2002) Molecular Biology of the Cell. (Garland Science, New York)  
Bawin  SM,  Kaczmarek  KL,  Adey  WR  (1975)  Effects  of  modulated  VHF  fields  on  the  central 
nervous system. Ann. N.Y. Acad Sci 247: 74‐81  
Bawin  SM,  Adey  WR  (1976)  ‘Sensitivity  of  calcium  binding  in  cerebral  tissue  to  weak 
environmental  electric  fields  oscillating  at  low  frequency’.  Proc  Nat  Acad  Sci  USA 
73: 1999‐2003  
Blackman  CF  (1990)  ‘ELF  effects  on  calcium  homeostasis’.  In:  Wilson  BW,  Stevens  RG, 
Anderson  LE  (eds)  Extremely  Low  Frequency  Electromagnetic  Fields:  the  Question  of 
Cancer. Battelle Press, Columbus, Ohio, pp 189‐208  
Blackman CF, Benane SG, Kinney LS, House DE, Joines WT (1982) ‘Effects of ELF fields on 
calcium‐ion efflux from brain tissue in vitro’. Radiat. Res. 92: 510‐520  
Blank  M,  Goodman  R  (2000)  ‘Stimulation  of  stress  response  by  low  frequency 
electromagnetic  fields:  possibility  of  direct  interaction  with  DNA’.  IEEE  Trans 
Plasma Sci 28: 168‐172  
Diem  E,  Schwarz  C,  Aldkofer  F,  Jahn  O,  Rudiger  H  (2005)  ‘Non‐thermal  DNA  breakage 
by  mobile  phone  radiation  (1800  MHz)  in  human  fibroblasts  and  in  transformed 
GFSH‐R17  rat  granulosa  cells  in  vitro’.  Mutation  Research/Genetic  Toxicology  and 
Environmental Mutagenesis 583: 178‐183  
Goldsworthy  A  (2006)  ‘Effects  of  electrical  and  electromagnetic  fields  on  plants  and 
related  topics’.  In:  Volkov  AG  (ed.)  Plant  Electrophysiology  –  Theory  &  Methods . 
Springer‐Verlag Berlin Heidelberg 2006. Pp 247‐267.  
Ha  B‐Y  (2001)  ‘Stabilization  and  destabilization  of  cell  membranes  by  multivalent  ions’. 
Phys. Rev. E. 64: 051902 (5 pages)  
Jokela K, Puranen L, Sihvonen A‐P (2004) ‘Assessment of the magnetic field exposure due 
to the battery current of digital mobile phones’. Health Physics 86: 56‐66.  
goldsworthy_bio_weak_em_07.doc
15
Liboff  AR,  McLeod  BR,  Smith  SD  (1990)  ‘Ion  cyclotron  resonance  effects  of  ELF  fields  in 
biological systems’. In: Wilson BW, Stevens RG, Anderson LE (eds) Extremely Low 
Frequency  Electromagnetic  Fields:  the  Question  of  Cancer.  Battelle  Press,  Columbus, 
Ohio, pp 251‐289  
Lin  H,  Blank  M,  Rossol‐Haseroth  K,  Goodman  R  (2001)  ‘Regulating  genes  with 
electromagnetic response elements’. J Cellular Biochem 81: 143‐148  
Matthews  EK  (1986)  ‘Calcium  and  membrane  permeability’.  British  Medical  Bulletin  42: 
391‐397  
McLeod  BR,  Smith  SD,  Liboff  AR  (1987)  ‘Potassium  and  calcium  cyclotron  resonance 
curves and harmonics in diatoms (A. coffeaeformis)’. J Bioelectr 6: 153‐168  
Mehedintu M, Berg H (1997) ‘Proliferation response of yeast Saccharomyces cerevisiae on 
electromagnetic field parameters’. Bioelectrochem Bioenerg 43: 67‐70  
Melikov  KC,  Frolov  VA,  Shcherbakov  A,  Samsonov  AV,  Chizmadzhev  YA, 
Chernomordik  LV  (2001)  ‘Voltage‐induced  nonconductive  pre‐pores  and 
metastable single pores in unmodified planar lipid bilayer’. Biophys J 80: 1829‐1836  
Muraji M, Asai T, Wataru T (1998) ‘Primary root growth rate of Zea mays seedlings grown 
in an alternating magnetic field of different frequencies’. Bioelectrochem Bioenerg 44: 
271‐273  
Panagopoulos  DJ,  Chavdoula  ED,  Nezis  IP,  Margaritis  LH  (2007)  ‘Cell  death  induced  by 
GSM 900‐MHz and DCS 1800‐MHz mobile telephony radiation’. Mutation Research 
626: 69‐78  
Sage  C,  Johansson  O,  Sage  SA  (2007)  ‘Personal  digital  assistant  (PDA)  cell  phone  units 
produce  elevated  extremely  low  frequency  electromagnetic  field  emissions’. 
Bioelectromagnetics. DOI 10.1002/bem.20315 Published online in Wiley InterScience 
(www.interscience.wiley.com)  
Smith  SD.  McLeod  BR,  Liboff  AR  (1993)  ‘Effects  of  SR  tuning  60Hz  magnetic  fields  on 
sprouting and early growth of Raphanus sativus’. Bioelectrochem Bioenerg 32: 67‐76  
Stenz  H‐G,  Wohlwend  B,  Weisenseel  MH  (1998)  ‘Weak  AC  electric  fields  promote  root 
growth and ER abundance of root cap cells’. Bioelectrochem Bioenerg 44: 261‐269  
Wilson  BW,  Stevens  RG,  Anderson  LE  eds  (1990)  Extremely  low  frequency  electromagnetic 
fields: the question of cancer. Battelle Press, Columbus, Ohio